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Nachtsichttechnologien

ALLGEMEINE EINRICHTUNG VON DIGITALEN GERÄTEN

Im Allgemeinen besteht ein digitales Nachtsichtgerät aus einer Objektivlinse, einem lichtempfindlichen Sensor, Blöcken der elektronischen Bildverarbeitung und einer Steuerung, einem Display und einem Okular.

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Die Stromversorgung von digitalen Nachtsichtgeräten erfolgt durch austauschbare Energieelemente: wiederaufladbare Batterien gleicher Größe oder integrierte wiederaufladbare Batterien. Die Geräte können mit einem Anschluss für den Bezug von Strom aus externen Quellen (z.B. Kfz-Stromnetz, kompakte externe Akkus) ausgestattet sein.

Für die Arbeit bei schlechten Lichtverhältnissen sind digitale Nachtsichtgeräte oft mit integrierten Infrarot-Strahlern auf der Basis von Laserdioden oder LED ausgestattet. Für eine erhöhte Benutzerfreundlichkeit können digitale Nachtsichtgeräte ein Fernsteuerungssystem mit Hauptfunktionen enthalten - in diesem Fall kann der Benutzer das Gerät mit Hilfe der Fernbedienung (RC) steuern.

Digitale Geräte können mit Schienen zur Befestigung an Waffen ausgestattet werden.

Wie bei jedem optischen Beobachtungsgerät ist das Objektiv für die Projektion von Bildern auf die Oberfläche des Sensors bestimmt, der wiederum Reflexionen vom Licht des Objekts in ein elektrisches Signal umwandelt.

Als lichtempfindliches Element verwenden digitale Nachtsichtgeräte CCD- oder CMOS-Sensoren.

 

CMOS SENSOR

CCD SENSOR

Gewöhnlich besteht der elektronische Verarbeitungsblock aus einer oder mehreren Platinen (je nach Konfiguration des Geräts), auf denen spezialisierte Schaltkreise angeordnet sind, die das vom Sensor erhaltene Signal verarbeiten und das Signal an die Anzeige weiterleiten, wo das Bild des beobachteten Objekts entsteht. Die Platinen enthalten die wichtigsten Steuerungen der Geräte und enthalten auch Stromversorgungsschaltungen für die gesamte Einheit und für einzelne Schaltungselemente.

Da digitale Nachtsichtgeräte mit Mikrodisplays arbeiten, ist es zur Beobachtung des Bildes notwendig, ein Okular zu verwenden, das als Vergrößerungsglas fungiert und es dem Benutzer ermöglicht, das vergrößerte Bild zu betrachten.

Die am häufigsten verwendeten Anzeigen in digitalen Nachtsichtgeräten sind LCD-Displays vom transmissiven Typ (bei denen die Anzeige von der Rückseite beleuchtet wird) oder OLED-Displays (wenn elektrischer Strom zugeführt wird, beginnt das Material Licht zu emittieren).

Die Anwendung von OLED-Displays bietet eine Reihe von Vorteilen: die Möglichkeit, das Gerät bei niedrigeren Temperaturen einzusetzen, höhere Helligkeit und Kontrast der Bilder und eine einfachere und zuverlässigere Konstruktion (Hintergrundbeleuchtungsquellen wie bei LCDs sind nicht vorhanden). Abgesehen von LCD- und OLED-Displays können digitale Geräte Mikrodisplays verwenden, die nach der LCOS-Technologie (Liquid Crystal on Silicone) hergestellt werden - eine Art reflektierende Anzeige.

Im Gegensatz zu Nachtsichtgeräten, die auf Bildverstärkerröhren (analog) basieren, lassen sich bei digitalen Nachtsichtgeräten eine größere Anzahl von Benutzereinstellungen und Funktionen realisieren. Zum Beispiel Helligkeitseinstellung, Bildkontrast, Auswahl der Bildfarbe, zusätzliche Informationen im Sichtfeld (aktuelle Uhrzeit, Anzeige des Batterieladezustands, Symbole der aktivierten Modi usw.), zusätzlicher Digitalzoom, "Bild-in-Bild"-Funktion (zeigt in einem separaten kleinen Fenster ein zusätzliches Bild des gesamten Objekts oder seines separaten Teils einschließlich eines vergrößerten Bildes) und vorübergehende Deaktivierung der Anzeige (aus Gründen der Energieeinsparung und zur Tarnung des Beobachters auf Grund der fehlenden Beleuchtung der Betriebsanzeige).

Zur Speicherung von Bildern beobachteter Objekte können digitale Nachtsichtgeräte Videorekorder enthalten, die die Erstellung von Fotos und Videos ermöglichen.

In digitalen Geräten lassen sich Funktionen wie drahtlose Verbindung (z.B. Wi-Fi), Datenübertragung (Foto-Video) zu externen Empfängern, die Integration von Laserentfernungsmessern (Daten des Entfernungsmessers können in das Sichtfeld eingebracht werden) und GPS-Sensoren (die Fähigkeit, die Koordinaten des beobachteten Objekts zu ermitteln) leicht realisieren.

Ein Vorteil der digitalen Nachtsichtgeräte ist die Möglichkeit, bei Tageslicht zu arbeiten, ohne Angst vor Lichtblitzen oder intensiven Lichtquellen zu haben, die die auf der Bildverstärkerröhre basierenden Nachtsichtgeräte beschädigen könnten.

Das Fadenkreuz in digitalen Zielfernrohren ist in der Regel ebenfalls digital, d.h. das Bild des Fadenkreuzes wird bei der Videosignalverarbeitung auf dem Bildschirm überlagert und elektronisch bewegt, so dass keine mechanischen Teile für ballistische Korrekturen notwendig sind. Diese mechanischen Teile werden häufig in analogen Nachtsicht- und Tageslicht-Zielfernrohren verwendet und erfordern eine hohe Präzision während des Herstellungs- und Montageprozesses.

Darüber hinaus werden typische optische oder Nachtsicht-Zielfernrohr-Effekte wie Parallaxe vermieden, da sich das beobachtete Bild und das Bild des Fadenkreuzes in der gleichen Ebene befinden - in der Ebene des Displays.

Digitale Zielfernrohre können eine große Anzahl von Fadenkreuzen verschiedener Konfigurationen und Farben speichern und bieten die Möglichkeit einer schnellen und einfachen "One-Shot-Nullung" oder "Freeze-Nullung", die Funktion der automatischen Korrektur des ballistischen Fadenkreuzes bei wechselnder Schießentfernung, die Speicherung von Nullpunkt-Koordinaten für mehrere Waffen, die Angabe des waffenseitigen Neigungs- oder Höhenwinkels usw.

HAUPTPARAMETER VON DIGITALEN NACHTSICHTGERÄTEN

  • Vergrößerung
  • Auflösung
  • Empfindlichkeit
  • Winkel des Sichtfeldes
  • Augenrelief
  • Leistung des Infrarot-Strahlers
  • Erfassungs- und Erkennungsabstand

VERGRÖßERUNG

Dieser Parameter zeigt an, wie oft das Bild des durch das Gerät beobachteten Objekts die Größe desselben mit dem bloßen Auge beobachteten Objekts übersteigt.

Maßeinheit - Zeit (Notation "х", z.B. "2х" - "zweimal").

Für Nachtsichtgeräte, einschließlich der digitalen, reichen die typischen Vergrößerungswerte von 1х bis 5х, da die Hauptaufgabe von Nachtsichtgeräten die Erfassung und Erkennung von Objekten bei schlechten Lichtverhältnissen ist. Die Erhöhung der Vergrößerung bei Nachtsichtgeräten führt zu einer signifikanten Reduzierung der gesamten Lichtsammelkraft - das Bild wird viel dunkler sein als bei allen ähnlichen Geräten mit geringerer Vergrößerung.

Der Rückgang der Lichtsammelkraft durch die Vergrößerung kann durch die Vergrößerung des Objektivdurchmessers kompensiert werden, was aber wiederum zu einer Vergrößerung und einem höheren Gewicht des Gerätes führt, wodurch der Gesamtkomfort von tragbaren Nachtsichtgeräten (insbesondere von Zielfernrohren, da deren Benutzer zusätzlich Waffen halten müssen) verringert wird.

Die Vergrößerung wird durch die Brennweiten von Objektiv und Okular sowie durch den Skalierungskoeffizienten (К) definiert, der dem Verhältnis der physikalischen Größen (Diagonalen) von Display und Sensor entspricht:

M= (fo/fe)*К= (fo/fe)*(Ld/Ls), wobei

fo – Brennweite der Objektivlinse
fe – Brennweite des Okulars
Ls – Größe der Sensordiagonale
Ld – Größe der Bildschirmdiagonale

Relation
Je größer die Brennweite des Objektivs, die Größe der Anzeige, desto größer die Vergrößerung.
Je größer die Brennweite des Okulars, die Größe des Sensors, desto kleiner die Vergrößerung.

  article_cpnv_image_1x_mag.jpg  article_cpnv_image_2x_mag.jpg 
 1x  2x
 article_cpnv_image_3x_mag.jpg   
 3x  4x

AUFLÖSUNG

Die Auflösung ist die Fähigkeit des Geräts, zwei nahe beieinander liegende Punkte oder Linien getrennt darzustellen. In technischen Referenzen kann dieser Parameter als "Auflösung", "Auflösungsgrenze" oder "maximale Auflösung" angegeben werden. Im Prinzip hat sie dieselbe Bedeutung. Normalerweise wird die Auflösung in Linien pro Millimeter (lpm) angegeben, sie kann aber auch in Winkeleinheiten (Sekunden oder Minuten) angegeben werden.

Je größer der Wert der Auflösung in Linien pro Millimeter und je kleiner der Wert in Winkeleinheiten ist, desto höher ist die Auflösung. Je höher die Auflösung, desto klarer kann der Betrachter das Bild sehen.

Für Nachtsichtgeräte ist eine Auflösung von mindestens 25 lpm empfehlenswert - eine solche Auflösung ermöglicht es, die Figur eines Menschen von der eines Tieres oder eines anderen, ähnlich großen Objektes in einer Entfernung von 100 m zu unterscheiden.

Zur Messung der Auflösung von Nachtsichtgeräten wird eine spezielle Ausrüstung, ein so genannter Kollimator, verwendet. Ein Kollimator ermöglicht die Erstellung eines Imitationsbildes eines speziellen Testobjektes - ein beleuchtetes Linien-Testchart, das sich in einem bestimmten Abstand (normalerweise in 100 m Entfernung) befindet.

 

Line test chart

Nachdem das Bild des Testobjekts durch das Gerät betrachtet wurde, kann eine Schlussfolgerung über die Auflösung von Nachtsichtgeräten gezogen werden - je kleiner die Linien des Testcharts sind, die deutlich voneinander getrennt gesehen werden können, desto höher ist die Auflösung.

             Normal resolution                                                     Low resolution
 

Die Auflösung wird durch die Parameter der optischen Elemente des Geräts, des Sensors, der Anzeige, der Qualität der im Gerät implementierten elektronischen Schaltungslösungen und auch durch die Algorithmen der Signalverarbeitung definiert.

Die Gesamtauflösung des Geräts hängt von den Parametern des Objektivs ab. Je größer der Durchmesser der Objektivlinse, desto größer ist ihre Vergrößerung und Lichtsammelkraft und desto mehr kleine Details können wahrgenommen werden.

Die Auflösung hängt von der Auflösung des Objektivs und des Okulars ab. Das Objektiv erzeugt das Bild eines Objekts in der Ebene des Sensors, wobei eine weitere Verbesserung der Auflösung des Geräts nicht möglich ist, wenn die Auflösung des Objektivs nicht ausreichend ist. In der gleichen Weise kann ein minderwertiges Okular das klarste Bild, das von anderen Komponenten des Geräts auf dem Display erzeugt wird, verschlechtern.

Die Eigenschaften des Sensors haben einen großen Einfluss auf die Auflösung des Geräts. Zunächst einmal die Auflösung des Sensors - die Anzahl der Pixel (normalerweise als Produkt der Pixel in einer Zeile und in einer Spalte angegeben) sowie deren Größe.


Relation:

Je größer die Anzahl der Pixel und je kleiner ihre Größe, desto höher die Auflösung.

Diese Aussage ist zutreffend, wenn die Sensoren die gleiche physikalische Größe haben. Sensoren mit größerer Pixeldichte auf einer Flächeneinheit haben höhere Auflösungen.

Im Gegensatz zu Schwarz-Weiß-Sensoren wird die Auflösung von Farbsensoren im Allgemeinen um 30-40% geringer sein, was durch eine andere Pixelstruktur verursacht wird - ein Pixel eines Farbsensors besteht aus einer Kombination von drei Unterpixeln, die jeweils nur das Licht eines bestimmten Teils des Spektrums registrieren (jeweils - rot, blau, grün). Sie wird auf Kosten der Anwendung von Farblichtfiltern erreicht, die nur das Licht einer Farbe durchlassen. Wenn also monochromes Licht auf das Pixel einer Farbkamera trifft, wird das Signal nur von einem Subpixel registriert, während bei Schwarz-Weiß-Sensoren das Signal von jedem Pixel registriert wird, auf das das Licht trifft. Dies ist einer der Gründe, warum der Einsatz von Farbsensoren in Nachtsichtgeräten begrenzt und oft nicht rationell ist.

Die Auflösung einer Einheit hängt auch von den Parametern der Anzeige ab, die das Bild zeigt. Wie beim Sensor ist auch hier die Auflösung des Displays (die Anzahl der Pixel) und die Größe der Pixel ausschlaggebend. Die Dichte der Pixel in der Anzeige wird durch PPI ("Pixel pro Inch") angegeben - dieses Merkmal definiert die Anzahl der Pixel, die sich auf einem Quadratzoll der Anzeige befinden.

Im Falle der direkten Bildübertragung (ohne Skalierung) vom Sensor auf das Display wären die Auflösungen beider Komponenten gleich. In diesem Fall wird die Verringerung der Auflösung des Geräts verhindert (die Verringerung der Auflösung geschieht, wenn die Auflösung des Displays niedriger ist als die Auflösung des Sensors) und es ist nicht notwendig, ein teures Display einzusetzen (die Auflösung des Displays ist höher als die Auflösung des Sensors). Wenn der Sensor ein Signal im analogen Standard-Fernsehformat (z.B. PAL (625 Zeilen in einem Bild) oder NTSC (525 Zeilen in einem Bild)) erzeugt, ist die Verwendung eines Sensors mit einer höheren Auflösung als die Auflösung des TV-Signalformats unangemessen.

Digitale Nachtsichtgeräte können verschiedene Algorithmen zur Nutzsignalverarbeitung verwenden, die die Gesamtauflösung des Geräts beeinflussen können. Zunächst einmal kann man von "digitalem Zoomen" sprechen, wenn das Sensorbild digital verarbeitet und mit einer bestimmten Vergrößerung auf das Display übertragen wird. In diesem Fall wird die Gesamtauflösung des Geräts verringert. Ein ähnlicher Effekt ist bei Digitalkameras beim "digitalen Zoomen" zu beobachten.

Die Auflösung des Geräts wird auch durch "Binning" beeinflusst (ein Algorithmus, der die Empfindlichkeit des Geräts erhöht, indem er Signale von mehreren benachbarten Pixeln aufruft, was zu einer proportionalen Verringerung der Auflösung führt).

Neben den oben genannten Faktoren ist es notwendig, mehrere andere Faktoren zu erwähnen, die die Auflösung des Geräts verringern können. Dabei handelt es sich um Rauschen verschiedener Art, die das Nutzsignal verzerren und letztlich die Bildqualität verschlechtern. Die folgenden Arten von Rauschen lassen sich unterscheiden:

Photonenrauschen. Das Ergebnis der diskreten Natur des Lichts. Photonen des Lichts fallen nicht gleichzeitig und nicht gleichmäßig im Raum auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Sensors.

Dunkelstromrauschen ("Schneefallrauschen"). Wenn die Objektivlinse des Geräts durch einen lichtbeständigen Deckel abgedeckt ist, können "dunkle" Rahmen auf dem Display gesehen werden. Der Hauptgrund für dieses Rauschen ist die thermoionische Emission von Elektronen (die spontane Emission von Elektronen als Folge der Erwärmung des Sensors). Je niedriger die Temperatur, desto geringer ist das Dunkelstromsignal, was ein geringeres Rauschen bedeutet.

Übertragungsrauschen. Bei der Übertragung der Ladung im Inneren des Sensors geht ein bestimmter Teil der Elektronen, die ein Nutzsignal bilden, verloren. Sie werden von Defekten und Verunreinigungen erfasst, die im Kristall des Sensors vorhanden sind.

Ausleserauschen. Wenn das in einem Pixel akkumulierte Signal aus dem Sensor entnommen, in eine Spannung umgewandelt und verstärkt wird, erhält jedes Element zusätzliches Rauschen, das Ausleserauschen genannt wird.

Zur Reduzierung des Rauschens setzen digitale Geräte verschiedene Software-Algorithmen der Bildverarbeitung ein, die oft als Rauschunterdrückungsalgorithmen bezeichnet werden.

Abgesehen vom Rauschen können elektrische Störungen, die aus Fehlern bei der Konfiguration interner Teile (die Position von elektronischen Platinen, die Verbindung von Drähten und Kabeln im Inneren des Geräts) oder aus Fehlern im Platinenlayout (die Position von Leiterbahnen, das Vorhandensein und die Qualität von Abschirmschichten) resultieren, die Auflösung deutlich verringern. Interferenzen können durch Fehler in der elektrischen Schaltung eines Geräts verursacht werden: die falsche Auswahl von Elementen für die Erstellung verschiedener Filter und für die Stromversorgung von elektrischen Schaltkreisen. Aus diesem Grund sind der Entwurf von Schalttafeln, die Codierung von Software zur Signalverarbeitung und die Erstellung von Schalttafel-Layouts wichtige und schwierige Herausforderungen beim Entwurf digitaler Nachtsichtgeräte.

Die Bildauflösung von digitalen Nachtsichtgeräten hängt von den Beobachtungsbedingungen ab. Je höher die Beleuchtungsstärke des beobachteten Objekts ist, desto klarer wird das Bild im Gerät erscheinen. Daraus lässt sich schließen, dass die maximale Auflösung eines digitalen Nachtsichtgerätes bei fast Tageslichtbedingungen oder mit Hilfe eines leistungsstarken IR-Strahlers erreicht wird.

EMPFINDLICHKEIT

Um die Empfindlichkeit von digitalen Videokameras zu charakterisieren, verwenden sie oft den Parameter der minimalen Beleuchtungsstärke auf dem beobachteten Objekt, wenn das Gerät noch in der Lage ist, ein Bild zu erzeugen.

Diese Definition ist am besten geeignet für digitale Geräte, die im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeiten. Für sichtbare Bereiche ist eine Maßeinheit für die Empfindlichkeit eine Lichteinheit - "Lux".

Da digitale Geräte nachts arbeiten sollen, wenn das Infrarotspektrum vorherrscht, ist es zur Charakterisierung ihrer Empfindlichkeit richtiger, Energieeinheiten zu verwenden, die den Lichtstrom beschreiben.

Somit kann der Parameter der Empfindlichkeit von digitalen Nachtsichtgeräten als der minimale Wert der Leistung des Infrarotlichts beschrieben werden, das in das digitale Nachtsichtgerät eintritt, wenn das Gerät noch in der Lage ist, ein Bild mit einer Auflösung zu erzeugen, die eine Erkennung des beobachteten Objekts ermöglicht (entspricht einer Auflösung von 25 lpm).

Außerdem gibt es auch den Parameter der spektralen Empfindlichkeit - minimale Leistung auf der gegebenen Wellenlänge des infraroten Spektralbereichs. Wenn die spektrale Empfindlichkeit angegeben wird, gibt sie auch die Wellenlänge des Lichts an, bei der dieser Wert erreicht wurde.

Im Gegensatz zur Beleuchtungsstärke im sichtbaren Bereich des Spektrums ist die Beleuchtungsstärke im Infrarotbereich nicht in Lux messbar. In diesem Fall ist es sinnvoll, eine universelle Maßeinheit zu verwenden - Watt.

Die Empfindlichkeit eines Geräts hängt von den folgenden Parametern ab:

  • Lichtsammelvermögen und Qualität der Objektivlinse
  • Sensorparameter - physikalische Größe, Art und Empfindlichkeit des Sensors
  • Anzeigeparameter - Helligkeit und Kontrast, Auflösung
  • Algorithmen für die Signalverarbeitung
  • Qualität der in der Vorrichtung implementierten elektrischen Schaltungslösungen

Um eine hohe Empfindlichkeit in digitalen Nachtsichtgeräten zu erreichen, ist es notwendig, alle in das Objektiv eintretenden Lichtphotonen zu sammeln und verlustfrei auf die lichtempfindliche Oberfläche des Sensors zu übertragen. Eine wichtige Rolle im Prozess der Übertragung spielen das Objektiv und seine Parameter wie das Lichtsammelvermögen, die Menge der Linsen in einem optischen System, die Qualität der Antireflexbeschichtung auf den Linsen und das Vorhandensein von Schwärzungen auf den Linsenstößen (um eine Streuung des Lichts im Objektiv zu vermeiden).

Relationen:

Je höher die Lichtsammelkraft des Objektivs (steigt bei Vergrößerung der Eintrittspupille und Verringerung der Brennweite), desto höher ist die Gesamtempfindlichkeit des Geräts.

Je mehr Linsen im Objektiv verwendet werden, desto geringer ist die Lichtsammelkraft und die Empfindlichkeit des Geräts.

Je höher die optischen Transmissionskoeffizienten der Linsen, aus denen das Objektiv besteht, desto höher ist die Empfindlichkeit.

Der Sensor ist der Hauptempfänger und Wandler von Licht in elektrische Signale. Es ist der Sensor, der die Empfindlichkeit eines Gerätes weitgehend bestimmt. Die Empfindlichkeit des Sensors hängt von der Größe der Pixel und ihrer Dichte auf dem Sensor ab. Unter sonst gleichen Bedingungen gilt: Je größer die Pixelgröße, desto höher die Empfindlichkeit des Sensors. Je kleiner die Korrelation der Gesamtfläche des Sensors zur Gesamtfläche aller Pixel ist, desto höher ist die Gesamtempfindlichkeit des Sensors.

Vor kurzem haben viele Hersteller von billigen Nachtsichtgeräten begonnen, Billig-Sensoren für Fotokameras (oft Farbsensoren) zu verwenden. Diese Sensoren haben eine gute Empfindlichkeit im sichtbaren (Tageslicht-)Bereich des Spektrums, aber eine sehr geringe Empfindlichkeit im Infrarotbereich. In technischen Beschreibungen solcher Geräte fehlen jegliche Informationen über die Empfindlichkeit, dennoch wird immer wieder die große Anzahl von Megapixeln hervorgehoben. Daraus lässt sich leicht schließen, dass solche Geräte trotz der hohen Sensorauflösung ohne eine leistungsstarke Beleuchtungsquelle keine qualitativ hochwertigen Bilder bei Nacht erzeugen können, da ihr Sensor eine geringe Empfindlichkeit im Infrarotbereich des Spektrums hat.

Der zweite häufige Irrtum ist die Angabe der Empfindlichkeit von digitalen Nachtsichtgeräten in photometrischen Einheiten (Lux). Hier können Empfindlichkeitswerte bis zu einem Zehntausendstel Lux erreicht werden, was deutlich höher ist als bei analogen Nachtsichtgeräten, die auf Bildverstärkerröhren der Generation 2+ oder höher basieren. Eine solche übernatürliche Empfindlichkeit lässt sich auf einfache Weise erklären. In der Regel wird zur Empfindlichkeitsmessung ein Luxmeter verwendet, dessen spektrale Charakteristik mit der spektralen Charakteristik des menschlichen Auges übereinstimmt (siehe Diagramm). Genau wie das menschliche Auge kann das Luxmeter Beleuchtung nur im sichtbaren Bereich des Spektrums von 380 nm bis 780 nm wahrnehmen (messen). Das bedeutet, dass bei der Messung der Beleuchtung in der Nacht mit Hilfe eines Luxmeters die erhaltenen Beleuchtungswerte nahe Null sein werden, weil in der Nacht der sichtbare Beleuchtungsbereich praktisch nicht vorhanden ist. Andererseits ist jedoch eine starke Infrarotbeleuchtung vorhanden (siehe Diagramm der natürlichen Beleuchtung des Nachthimmels), die das Luxmeter nicht registrieren kann, während Nachtsichtgeräte diese Beleuchtung leicht registrieren können. Als Beispiel zeigt das Diagramm spektrale Empfindlichkeitskurven von SONY CCD-Sensoren und Bildröhrenverstärkern der Generation 2+.

 

Die spektrale Empfindlichkeit wird als ein Parameter verwendet, der die Fähigkeit eines Nachtsichtgerätes, in der Nacht einwandfrei zu arbeiten, charakterisiert. Sie wird in der Regel auf einer oder mehreren Wellenlängen des Spektralbereichs angegeben. Um die "Qualität" digitaler Nachtsichtgeräte zu verstehen, ist es am optimalsten, Informationen über die spektrale Empfindlichkeit bei Wellenlängen wie z.B. 780 ... 810 nm (Mittelwert der Infrarotbeleuchtung des Sternenhimmels; in diesem Bereich haben Sensoren eine mittlere Empfindlichkeit) und 910 ... 940 nm (hoher Wert der Infrarotbeleuchtung des Sternenhimmels; unsichtbarer Infrarotbereich, Sensoren können noch empfindlich sein) zu erhalten.

Durch den Vergleich der Werte der spektralen Empfindlichkeit mehrerer digitaler Geräte lassen sich bestimmte Rückschlüsse auf deren Fähigkeit, in der Nacht zu "sehen", ziehen. Hier sollte man bedenken, dass die Empfindlichkeit eines digitalen Geräts nicht nur durch die Empfindlichkeit seines Sensors definiert wird, sondern auch durch solche Parameter und Eigenschaften des Geräts wie die Auflösung des Objektivs und des Okulars, die Auflösung der Anzeige, die Lichtstärke des Objektivs, die Qualität des Sensors (Abwesenheit von Rauschen), die Qualität der Schaltungslösungen (Abwesenheit von Interferenzen) und die angewandten Algorithmen der Signalverarbeitung.
Aktuelle digitale Nachtsichtgeräte verwenden zwei Haupttypen von Sensoren - CCD und CMOS. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Typen liegt in der elektronischen Organisation der Signalauslesung aus den Pixeln. Bei CCD (Charge Coupled Device) werden die Signale von jedem Pixel sequentiell an die Elektronik des Sensors übertragen, anschließend erfolgt die Verstärkung des Gesamtsignals. Bei CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) werden die Signale von allen Pixeln gleichzeitig gelesen und mit Hilfe von Verstärkern individuell für jedes Pixel verstärkt. Aus diesem Grund (die Notwendigkeit, dass ein Teil des Sensors von einer großen Anzahl einzelner Verstärker verwendet wird) ist die Dichte der Pixel in CMOS-Sensoren geringer als in CCD-Sensoren bzw. ihre Empfindlichkeit ist ebenfalls geringer. In den letzten Jahren sind neue Technologien für die Herstellung von CMOS-Sensoren (wie z.B. EXMOR SONY, BSI (Toshiba, Omnivision)) erschienen, die sich darauf konzentrieren, die Dichte der Pixel auf der Sensoroberfläche zu erhöhen, was zu einer Erhöhung der Gesamtempfindlichkeit des Sensors führt. Die Parameter für solche Sensoren erreichen annähernd die Werte von CCD-Sensoren, wobei die besten Beispiele sie in bestimmten Parametern übertreffen.

Das Display eines Nachtsichtgerätes beeinflusst auch die Gesamtempfindlichkeit des Gerätes, vor allem auf Kosten der Auflösung und der Kontrast-/Helligkeitswerte.
Es ist möglich, bestimmte Aussagen darüber zu treffen, wie digitale Nachtsichtgeräte im Vergleich zu Nachtsichtgeräten, die auf Bildverstärkerröhren der Generation 2+ oder 3 basieren, funktionieren werden. Auf dem Empfindlichkeitsdiagramm ist deutlich zu erkennen, dass CCD-Sensoren und Fotokathode von Bildröhrenverstärkern der 2+/3-Generation eine bessere Empfindlichkeit im Infrarotbereich 750-850 nm und eine schlechtere in Bereichen über 900 nm aufweisen.
Vergleicht man diese Daten mit dem Graphen der spektralen Ausbreitung der natürlichen Nachtbeleuchtung, so kann man daraus schließen, dass im passiven Modus (ohne Infrarot-Hilfslicht) der Vorteil (höhere Empfindlichkeit) in der Nacht auf der Seite der Nachtsichtgeräte liegt, die auf Bildverstärkerröhren der 2+/3-Generation basieren.
Wichtig dabei ist, dass im Bereich oberhalb von 900 nm digitale Nachtsichtgeräte noch eine gewisse Empfindlichkeit haben (wenn die Wellenlänge zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit allmählich ab), während die Empfindlichkeit von Nachtsichtgeräten, die auf Bildverstärkerröhren der 2+/3-Generation basieren, schnell auf Null sinkt. Aus diesem Grund sind Nachtsichtgeräte, die auf Bildverstärkerröhren basieren, in Verbindung mit "unsichtbaren" Infrarot-Beleuchtungen (z.B. 915 nm oder 940 nm) unwirksam, während digitale Nachtsichtgeräte mit diesen in hohem Maße kompatibel sind. Da analoge Nachtsichtgeräte (insbesondere der Generation 2+) beim Einsatz außerhalb der Stadt (z.B. bei der Jagd) oft eine zusätzliche Beleuchtung benötigen, wird der Faktor der Kompatibilität mit unsichtbaren Infrarot-Beleuchtungen zu einem wesentlichen Vorteil digitaler Nachtsichtgeräte.

Im Zusammenhang mit diesem Thema ist die Empfindlichkeit ein minimaler Wert der Leistung der Infrarotstrahlung. Deshalb ist die Empfindlichkeit um so besser, je geringer der numerische Wert in Watt ist.


Zu Vergleichszwecken werden wir uns die gemessenen Empfindlichkeitswerte für Yukon- und Pulsar-Nachtsichtgeräte (siehe Tabelle) bei einer Wellenlänge von 780 nm ansehen. Digisight N750 bei einer Wellenlänge von 780 nm wird viel empfindlicher sein als NVMT Spartan 3x42, aber weniger empfindlich als Phantom 3x50 Generation 2+. Bei 915 nm Wellenlänge wird Digisight N750 bereits einen Vorteil gegenüber der Phantom 3x50 Generation 2+ aufweisen.

Nachtsicht-Gerät   Generation Spektrale Empfindlichkeit
bei 780nm, mW
Spektrale Empfindlichkeit
bei 915nm, mW
 Digisight N750       Digital  ≈2,5·10 -5  ≈1,2·10 -4
 Phantom 3x50      II+  ≈1,5·10 -5  ≈5·10 -4
 Spartan 3x42      I  ≈25·10 -5  ≈8000·10 -4
 Spartan 4x50      I  ≈15·10 -5  ≈2500·10-4

SICHTFELD
Dieser Parameter charakterisiert die Größe des Bereichs, der gleichzeitig durch das Gerät beobachtet werden kann. Gewöhnlich wird in den technischen Spezifikationen das Sichtfeld in Grad (der Sichtfeldwinkel ist im Bild unten als 2Ѡ angegeben) oder in Metern für eine bekannte Entfernung (L) zum beobachteten Objekt (das lineare Sichtfeld ist im Bild unten als А angegeben) angegeben.

article_cpnv_image_fov.jpg


Das Sichtfeld von digitalen Nachtsichtgeräten wird durch die Brennweite des Objektivs (fob) und durch die physikalische Größe des Sensors definiert (В). In der Regel wird zur Berechnung des Sichtfeldes die Breite (horizontale Größe) des Sensors genommen, wobei die Ergebnisse ein winkliges horizontales Sichtfeld zeigen:

2Ѡ=2*arctg(B/(2* fo))

Wenn man die vertikale Größe des Sensors (Höhe) und die diagonale Größe kennt, kann man den vertikalen und diagonalen Sichtwinkel berechnen.

Relation:

Je größer der Sensor oder je kleiner die Brennweite des Objektivs ist, desto größer ist der Blickwinkel.

Je größer das Sichtfeld des Gerätes ist, desto bequemer ist es, Objekte zu beobachten - es ist nicht notwendig, das Gerät ständig zu bewegen, um den notwendigen Teil des Bereichs zu betrachten.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Sichtfeld umgekehrt proportional zur Vergrößerung ist - eine Vergrößerung des Gerätes führt zu einer Verkleinerung des Sichtfeldes.

Gleichzeitig werden mit zunehmendem Sichtfeld die Erfassungs- und Erkennungsentfernungen abnehmen, weil erstens die Vergrößerung abnimmt und zweitens, wenn der Infrarotstrahler zur komfortablen Beobachtung verwendet wird, der Infrarotstrahler mit einer großen ringförmigen Strahldivergenz verwendet werden muss (sie sollte ungefähr dem Sichtfeld entsprechen). Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Leuchtdichte in Bezug auf die Oberfläche und zu einer Verringerung des Abstands des Infrarotstrahlers.

 

AUGENRELIEF

Das Augenrelief ist der Abstand von der Außenfläche der letzten Linse des Okulars bis zu der Ebene, in der sich das Auge des Beobachters befindet, wenn das beobachtete Bild optimal ist (größtmögliches Sichtfeld, minimale Verzerrungen). Dieser Parameter ist sehr wichtig für Waffenzielgeräte, bei denen der Augenabstand mindestens 50 mm (optimal 80-100 mm) betragen sollte. Ein derart großer Augenabstand ist notwendig, um Verletzungen des Beobachters durch den Rückstoß beim Schuss zu vermeiden. Bei Nachtsichtgeräten entspricht der Augenabstand in der Regel der Länge des Lidschattens, der notwendig ist, um die Beleuchtung der Bildverstärkerröhre oder des Bildschirms zu verdecken.

ERFASSUNGS- UND ERKENNUNGSABSTAND

Erfassungsabstand - der maximale Abstand vom Beobachtungsgerät zu einem Objekt (in der Regel ein Mensch), das mit Hilfe des Geräts erfasst werden kann.

Erkennungsabstand - die maximale Entfernung, bei der der Beobachter den Typ des beobachteten Objekts (Mensch, Tier, Gebäude usw.) erkennen kann.

Diese Werte sind für ein bestimmtes Gerät nicht konstant und hängen von den folgenden Parametern ab:

  • Vergrößerung
  • Auflösung
  • Empfindlichkeit des Geräts
  • Beobachtungsbedingungen
  • Merkmale des beobachteten Objekts
  • Kontrastniveau zwischen Objekt und Hintergrund
  • Verwendung eines Infrarotstrahlers

Geräte mit stärkerer Vergrößerung (bei sonst gleichen Voraussetzungen) ermöglichen es, die betrachteten Objekte näher heranzuholen, und der Erfassungs- bzw. Erkennungsabstand wird bei solchen Geräten größer sein.

Die Auflösung des Geräts beeinflusst in hohem Maße den Erkennungsabstand - hochauflösende Geräte erlauben dem Beobachter, dank der klareren Abbildung der Objektdetails die Art des beobachteten Objekts sicherer zu erkennen.

Die Empfindlichkeit von digitalen Nachtsichtgeräten beeinflusst den Erfassungs- und Erkennungsabstand in gleicher Weise. Geräte mit höherer Empfindlichkeit gewährleisten klarere und kontrastreichere Bilder des beobachteten Objekts aus größerer Entfernung als Geräte mit geringerer Empfindlichkeit.

Abgesehen von den Parametern des Geräts wird der Erfassungs- und Erkennungsabstand erheblich von den Beobachtungsbedingungen und den Eigenschaften des beobachteten Objekts beeinflusst. Die Beobachtungsbedingungen werden durch den Grad der natürlichen Beleuchtung des Nachthimmels und durch die Transparenz der Atmosphäre bestimmt. Wenn die Beleuchtungsstärke und die Transparenz der Atmosphäre abnimmt (Rauch, Nebel, Staubpartikel usw.), verringern sich auch die Erfassungs- und Erkennungsabstände.

Die Reflexionseigenschaften des Objekts beeinflussen die Erfassungs- und Erkennungsabstände in gleicher Weise; sie werden durch Farbe und Textur (glänzend oder opak) der Objektoberfläche und auch durch den Kontrast des Objekts im Vergleich zum Hintergrund definiert. So ist es beispielsweise leichter, ein Tier zu erfassen und zu erkennen, das sich auf dem Hintergrund eines Schneefeldes befindet, als auf dem Hintergrund eines Waldrandes, einer grünen Wiese oder eines Feldes.
Bei schlechten Lichtverhältnissen kann der Erfassungs- und Erkennungsabstand mit Hilfe von Infrarotstrahlern erhöht werden. Abgesehen von der Erhöhung der Gesamtbeleuchtungsstärke des Objekts wird die Strahlung des Infrarotstrahlers in einigen Fällen in den Augen des Tieres gut reflektiert, was dazu führt, dass das Tier auf recht große Entfernungen erkannt werden kann - bei der Beobachtung mit einem Nachtsichtgerät werden seine Augen als helle Flecken gesehen.

IR-Strahler

Erwähnenswert ist der Einsatz von IR-Strahlern zusammen mit digitalen Nachtsichtgeräten. Normalerweise verfügen Nachtsichtgeräte über integrierte IR-Strahler. Gleichzeitig gibt es auf dem Markt eine große Anzahl von IR-Strahlern, die als Zubehör verkauft werden und für den kombinierten Einsatz mit Nachtsichtgeräten bestimmt sind.

Basierend auf der Art der Emissionsquelle können IR-Strahler in zwei Hauptgruppen unterteilt werden - LED-Strahler und Laserstrahler.
In LED-Strahlern wird eine Halbleiterdiode verwendet, die Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge im Infrarotbereich aussendet. Auf dem Markt sind LED-Strahler mit verschiedenen Wellenlängen (meist 805 nm, 850 nm und 940 nm) und mit unterschiedlicher Leistung erhältlich.

Laser-Strahler werden auf der Basis von Laser-Halbleiterdioden hergestellt. Im Vergleich zu LED-Strahlern weisen Laserstrahler erhebliche Vorteile auf.

Zunächst einmal ist ihre Strahlung kohärent, was bedeutet, dass alle Photonen des Lichts in einem Strahl die gleiche Energie, Richtung und Wellenlänge haben. Dadurch hat ein Lichtstrahl in einem engen Spektralbereich eine hohe Energiedichte, die auch bei großen Entfernungen erhalten bleibt. LEDs haben eine dispergierte Strahlung, die sich durch einen breiten Spektralbereich und große Energieverluste in der Entfernung von der Strahlungsquelle auszeichnet. Das bedeutet, dass der Laserstrahler bei gleicher Leistung in der Lage ist, das beobachtete Objekt in größeren Entfernungen zu beleuchten als der LED-Strahler; mit anderen Worten, der "Arbeitsabstand" des Laserstrahlers ist größer als der des LED-Strahlers.

Zweitens ist der Energieverbrauch bei Laserbeleuchtungen deutlich geringer als bei LED-Beleuchtungen mit gleicher Leistung.

Die Hauptparameter von Beleuchtungskörpern sind die Strahlungsleistung und die ringförmige Divergenz des Strahls.

Die Strahlungsleistung ist der Hauptfaktor für die Entfernung eines IR-Strahlers. Sie hängt von der Art der Quelle, dem optischen Schema und der Qualität der Linsen und der Antireflexbeschichtung ab. Bei der Mehrzahl der LED-Strahler liegt die maximale Strahlungsleistung zwischen 30 und 100 mW (niedrige Leistungswerte bei integrierten IR-Strahlern, höhere Werte bei als Zubehör hergestellten abnehmbaren Strahlern).

Bei Laser-Strahlern kann die maximale Leistung zwischen 10 und 50 mW schwanken, wobei der Energieverbrauch ungefähr dem von LED-Strahlern entspricht.

Werden mehrere Beleuchtungssysteme gleichzeitig verwendet (z.B. integrierte und abnehmbare externe Strahler), wird die Gesamtbeleuchtungsstärke eines Punktes summiert, jedoch nur dann, wenn das beobachtete Objekt sich in einem Abstand befindet, der nicht größer ist als der maximale Arbeitsabstand dieser beiden Beleuchtungssysteme (d.h. jedes der beiden Systeme ist in der Lage, das beobachtete Objekt in diesem Abstand zu beleuchten). Wenn die Entfernung zu einem Objekt die maximale Arbeitsentfernung eines der Strahler überschreitet, wird das beobachtete Objekt nur von dem leistungsstärkeren Strahler beleuchtet. Das bedeutet, dass es bei diesem Abstand keine Aufsummierung der Beleuchtungsstärke des Punktes erfolgt.

Der Nachteil von Laserbeleuchtungen besteht darin, dass sie bei direkter Betrachtung bestimmte Gefahren für das menschliche Auge erzeugen, wenn die Strahlung die erste Lasersicherheitsklasse übersteigt. Aus diesem Grund sind in den meisten Ländern nur Strahler der 1. Klasse der Lasersicherheit (völlig sicher) auf dem zivilen Markt zugelassen. Diese Tatsache hemmt in hohem Maße die weite Verbreitung von Laserbeleuchtungen.

Korrekt konstruierte Laserbeleuchtungen der 1. Klasse übertreffen gewöhnliche LED-Beleuchtungen in der Betriebseffektivität, da sie bei relativ gleichen Werten des Arbeitsabstandes eine geringere Größe haben und weniger Energie verbrauchen.

Die ringförmige Divergenz des Strahls eines IR-Strahlers muss nahe am Sichtwinkel eines Nachtsichtgerätes liegen, um den gesamten durch das Gerät sichtbaren Bereich auszuleuchten. Je größer die Ringdivergenz ist, desto geringer ist die Beleuchtungsstärke auf der Fläche bzw. der Abstand der Beleuchtungsstärke ist kleiner. In der Praxis haben IR-Strahler eine ungleichmäßige Verteilung der Energie (Beleuchtungsstärke) auf der Fläche des Lichtflecks. In der Regel hat der zentrale Bereich des Lichtflecks eine größere Energie als der Bereich näher an den Rändern. Tatsächlich bedeutet dies, dass der Anwender bei einer Erhöhung der Ringdivergenz in hohem Maße die Abnahme der Beleuchtungsstärke im Bereich nahe der Ränder des Lichtflecks bemerkt, während gleichzeitig der zentrale Bereich intensiver ausgeleuchtet wird.

Bei der Auswahl eines IR-Strahlers für ein Nachtsichtgerät muss der Spektralbereich, in dem das Nachtsichtgerät arbeitet, berücksichtigt werden. Die maximale Wirksamkeit (Beleuchtungsentfernung) wird im Strahler bei einer Wellenlänge erreicht, bei der das Nachtsichtgerät die höchste Empfindlichkeit hat. Wenn zum Beispiel ein IR-Strahler mit einer Wellenlänge von 808 nm verwendet wird, haben digitale Geräte eine bessere Sicht als mit einer Wellenlänge von 940 nm, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Sensors bei 808 nm höher ist.

Erwähnenswert ist ein weiterer Vorteil digitaler Nachtsichtgeräte, wenn sie in Kombination mit IR-Strahlern eingesetzt werden. Im Vergleich zu Bildverstärker-Röhren haben Sensoren digitaler Geräte offensichtlich eine geringere Gesamtempfindlichkeit, aber eine deutlich höhere spektrale Empfindlichkeit in Bereichen von 900 nm und höher. Die Strahlung in diesem Bereich ist für menschliche und tierische Augen bereits unsichtbar. All dies ermöglicht den erfolgreichen Einsatz von IR-Strahlern im unsichtbaren Bereich zur zusätzlichen Beleuchtung der beobachteten Objekte in Kombination mit digitalen Nachtsichtgeräten. Gleichzeitig wird dieser unsichtbare IR-Strahler in Kombination mit analogen Nachtsichtgeräten praktisch nutzlos sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn digitale Nachtsichtgeräte bei der Jagd eingesetzt werden: Jäger können "unsichtbare" Beleuchtungen zur zusätzlichen Ausleuchtung getrost einsetzen - das Tier sieht es nicht und bekommt keine Angst.

Der Einfluss der Leistung von IR-Strahlern und ihres Typs auf den Erkennungsabstand in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit eines Geräts ist in Tabelle 1 (für Laser-Beleuchtungen) und Tabelle 2 (für LED-Beleuchtungen) dargestellt .

Die Daten werden für folgende Bedingungen angegeben: mondlose Nacht, bewölkter Himmel, transparente Atmosphäre (kein Nebel, kein Dunst). Als Beobachtungsobjekt wurde eine menschengroße menschliche Figur in Tarnkleidung verwendet, die sich auf dem Hintergrund des Waldrandes befand. Die ringförmige Divergenz eines Strahls von IR-Strahlern beträgt 5-7 Grad.

Table 1

Empfindlichkeit bei
780 nm Wellenlänge, mW

Laser 780 nm

Empfindlichkeit bei
915 nm Wellenlänge, mW

Laser 915 nm

Erkennungsabstand, m

Erkennungsabstand, m

10 mW

20 mW

50 mW

10 mW

20 mW

50 mW

400·10-5 - 500·10-5

40-50

60-75

90-110

100·10-4 - 150·10-4

30-40

50-60

70-80

150·10-5 - 200·10-5

60-80

80-100

120-140

35·10-4 - 50·10-4

50-70

70-90

100-120

25·10-5 - 70·10-5

100-120

125-160

170-220

15·10-4 - 30·10-4

80-90

90-110

140-160

15·10-5 - 20·10-5

130-150

170-190

230-270

6·10-4 - 10·10-4

100-120

130-150

180-200

6·10-5 - 10·10-5

160-180

210-230

280-320

4·10-4 - 5·10-4

130-160

160-180

210-230

1·10-5 - 5·10-5

200-260

280-320

380-440

1·10-4 - 3·10-4

170-220

190-240

250-300


Table 2

Empfindlichkeit bei 780 nm Wellenlänge, mW

LED 805 нм

LED 850 нм

Empfindlichkeit bei 915 nm Wellenlänge, mW

LED 940 нм

Erkennungsabstand, m

Erkennungsabstand, m.

Erkennungsabstand, m

20 mW

50 mW

100 mW

20 mW

50 mW

100 mW

20 mW

50 mW

100 mW

400·10-5 - 500·10-5

35-45

60-80

120-140

20-30

50-70

80-110

100·10-4 - 150·10-4

20-25

40-60

70-90

150·10-5 - 200·10-5

50-60

90-110

150-180

40-50

80-90

130-150

35·10-4 - 50·10-4

30-40

60-80

110-140

25·10-5 - 70·10-5

70-80

120-140

210-250

60-70

110-120

170-200

15·10-4 - 30·10-4

50-60

90-100

150-170

15·10-5 - 20·10-5

85-90

150-160

270-300

80-90

130-140

210-220

6·10-4 - 10·10-4

65-70

120-130

190-210

6·10-5 - 10·10-5

100-110

170-190

310-340

100-110

160-180

240-280

4·10-4 - 5·10-4

80-90

140-160

220-250

1·10-5 - 5·10-5

120-150

210-260

350-380

120-160

190-240

300-350

1·10-4 - 3·10-4

100-130

170-200